JP2005051261A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】実装面積の割合を大きくする。
【解決手段】上面に設けられている開口部17、上下面に貫通しているスルーホール15、上面のうち開口部が設けられていない領域に設けられている第1の配線14a、下面に設けられている第2の配線14b、スルーホールに設けられている第3の配線14c、及び第2の配線に接続されている外部電極28を有する基板12を準備する工程と、第1の半導体素子16の複数の第1の電極30、及び第2の半導体素子18の第3の電極32を、第1導電性バンプ20を用いて、熱圧着により電気的に接合して積み重ね体100を形成する工程と、積み重ね体の第2の半導体素子を基板の開口部に収納させ、かつ第1の半導体素子の複数の第2の電極及び基板の第1の配線を、第2導電性バンプ22を用いて、電気的に接続することにより、基板に積み重ね体を搭載する。
【選択図】図1

Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関する。
従来の半導体実装構造としては、文献(日経エレクトロニクス、1994、2.14号p.59〜)に開示されたBGA(Ball Gride Array)型半導体装置がある。
このBGA型半導体装置は、基板(プリント基板)上に1つの半導体素子を搭載しており、当該半導体素子の上面に設けられた電極部とプリント基板の配線とを金属ワイヤにより電気的に接続している。そして、当該半導体素子を含む基板上には、半導体素子を外部の環境から保護するための封止樹脂が設けられている。
一方、プリント基板の裏面には、複数の導電性バンプ(金属バンプ)が基板の導電体部分(配線)に接続されている。従って、この金属バンプを介してBGA型半導体装置と他の回路とを接続することが可能となる。
従来のBGA型半導体装置では、プリント基板の裏面にギャングボンド接続用の電極バ
ンプを設けたことにより、実装基板の実装面積を半導体素子の面積に近づけることが可能
となる。従って、半導体装置自体をコンパクトにできる。
しかしながら、従来のBGA型半導体装置は、仮にプリント基板上に複数の半導体素子を搭載しようとした場合、半導体素子の面積分だけ、実装基板の面積が必要となり、実装基板の面積が大きくなってしまう。従って、従来のBGA型半導体装置では、実装基板の実装面積が、半導体素子の面積により制限されてしまうため、半導体素子を増やすことができなかった。
また、半導体素子と基板との接続を金属ワイヤ(ボンディングワイヤ)を用いて接合しているため、接続箇所を個別に接続していた。このため、接続作業に時間がかかり、作業効率が悪いという問題がある。
そのため、実装基板の面積を増加させず、半導体素子を多数搭載可能な半導体実装構造および作業性の良い実装方法の実現が望まれていた。
半導体装置の製造方法は、上面、及びこの上面と対向する下面、上面に設けられている開口部、上面から下面に貫通しているスルーホール、上面のうち開口部が設けられていない領域に設けられている第1の配線、下面に設けられている第2の配線、スルーホールに設けられていて、第1及び第2の配線を接続している第3の配線、及び第2の配線に接続されている外部電極を有する基板を準備する工程と、第1の電極及び外周領域に設けられている第2の電極を有する第1の半導体素子の複数の第1の電極、及び第3の電極を有する第2の半導体素子の第3の電極を、第1導電性バンプを用いて、熱圧着により電気的に接合して積み重ね体を形成する工程と、積み重ね体の第2の半導体素子を基板の開口部に収納させ、かつ第1の半導体素子の複数の第2の電極及び基板の第1の配線を、第2導電性バンプを用いて、電気的に接続することにより、基板に積み重ね体を搭載する工程とを含む。
この発明の製造方法により製造される半導体装置によれば、基板の上面側に、この基板上面に対して垂直の方向に2つの半導体素子からなる積み重ね体を積み重ねているので、スタック化が実現出来かつ従来に比べ、実装面積の割合を大きくすることができる。また、実装基板は小型にできるので、装置のコンパクト化が可能となる。
また、基板には積み重ね体の一部分を収納するための開口部を設けているので、実装高さを低減することができる。
また、積み重ね体の一方の半導体素子と基板の配線部を第2導電性バンプを用いて堅固に結合させてある。このように第2導線性バンプを用いているので、熱圧着により一回の作業で複数の接続箇所を同時に接合させることができる。このため、作業効率が向上する。
また、2組の積み重ね体を具え、これら積み重ね体を互いに絶縁された状態で積み重ねているので、2つの半導体素子を積み重ねたときに比べ、実装面積の割合をさらに大きくすることが可能となる。
また、この発明の半導体装置の製造方法によれば、2つの半導体素子同士を第1導電性
バンプを介して熱圧着により互いに接合させている。このため、一回の工程で、複数箇所
の接合が可能となり、作業効率が向上する。
積み重ね体の一方の半導体素子と基板とを第2導電性バンプを用いて電気的に接合している。このため、例えば、熱圧着法或いは加熱法により第2導電性バンプを介して両者を接合することができるため、一回の工程で複数箇所の接合が可能となる。
以下、図を参照して、この発明の半導体装置及びその製造方法の実施の形態につき説明
する。なお、図は、この発明が理解できる程度に、各構成成分の大きさ、形状および配置
関係を概略的に示してあるにすぎず、従って、この発明は、何ら図示例に限定されるもの
ではない。なお、この実施の形態では、半導体装置としてBGA型半導体装置を例に取っ
て説明する。
[第1の実施の形態のBGA型半導体装置の構造]
図1を参照して、この発明の第1の実施の形態のBGA型半導体装置の主要構造につき説明する。なお、図1は、第1の実施の形態のBGA型半導体装置の構造を説明するための切り口断面を示す図である。
第1の実施の形態では、基板10とこの基板10の上面、すなわち、第1の面側に、基
板10の上面に垂直な方向に積み重ねられている2つの半導体素子16および18からな
る積み重ね体100とを具えている。そして、2つの半導体素子16および18は、第1
導電性バンプ20を介して互いに電気的に堅固に結合されている。ここでは、一方の半導
体素子16を第1半導体素子と称し、他方の半導体素子18を第2半導体素子と称する。
この第1の実施の形態では、基板10として、プリント配線基板を用いる。この基板1
0は、周知の通り絶縁板12の表面に配線(例えば銅(Cu)配線とする。)14が形成
されており、この配線14の上面配線14a、すなわち第1の配線と下面配線14b、す
なわち第2の配線とは、スルーホール部15の配線14c、すなわち第3の配線により接
続されている。また、この基板10の上面、すなわち第1の面には、積み重ね体100の
一部分を収納するための溝17、すなわち開口部が形成されている。この溝17の深さは
、第2半導体素子18の厚さと第1導電性バンプ20の高さとを加算した値よりもいくら
か深くしておくのが良い。その理由は、あまり溝の深さが浅いと、第1半導体素子16を
基板に接続したとき、第2半導体素子18が溝17の底面にぶつかって両者が接続されず
に、第1半導体素子16が基板10から遊き上がるのを防止するためである。
また、基板10の表面、すなわち第1の面および裏面、すなわち第2の面の配線14の
第2金属バンプとの接合部および外部電極との接合部以外の領域をソルダーレジスト24
で覆っている。
そして、この第1の実施の形態では、この基板10の上面に対して垂直な方向に2つの半導体素子16および18、すなわち第1および第2半導体素子を積み重ねてある。
また、第1半導体素子16には、複数の電極30、すなわち第1の電極が設けられてお
り、また、第2半導体素子18にも複数の電極32、すなわち第3の電極が設けられてい
る。そして、第1半導体素子16の電極30と第2半導体素子18の電極32以外の面を
保護膜(パッシベーション(PV)膜)19で覆ってある。
また、この第1半導体素子16の電極30と第2半導体素子18の電極32とは、第1導電性バンプ20を介してそれぞれ電気的に堅固に結合されている。ここでは、第1および第2半導体素子の電極30および32と第1導電性バンプ20とを熱圧着により接合してある。
第1導電性バンプ20は、第1半導体素子16と第2半導体素子18との間に、複数個、この例では、6個設けられている。この第1導電性バンプ20を例えばはんだ(Sn−Pb)バンプとする。なお、ここでは、第1導電性バンプ20をはんだバンプとしたが、はんだバンプの代わりに、通常良く知られている、金(Au)バンプ、Alバンプ、銅(Cu)バンプ、Ag−Snバンプ或いは異方向性導電体バンプなどを使用しても良い。なお、この実施の形態では、第1導電性バンプ20を第1金属バンプとも称する。
また、第1半導体素子16の一方および他方の外周領域の電極34および36、すなわち第2の電極には、複数の第2導電性バンプ22が設けてある。ここでは、第2導電性バンプ22を2個接続した例を示す。また、第2導電性バンプ22の材料を上述した第1金属バンプ20と同様な材料(はんだ)とする。なお、ここでは、第2導電性バンプ22を第2金属バンプとも称する。
この第1の実施の形態では、第2金属バンプ22を基板10の上面配線14aに熱圧着により接合してある。従って、第1半導体素子16と基板10とは、電気的に接続されている。
また、このBGA型半導体装置では、従来と同様に第1および第2半導体素子16および18を外部の環境から保護するため、封止樹脂26が設けられている。
また、基板10の下面配線14b、すなわち基板10の下面には、外部電極28が設け
られている。ここでは、外部電極28として、金属バンプを用いる。
[第1の実施の形態の半導体装置の製造方法]
次に、図2の(A)、(B)および(C)を参照して、第1の実施の形態のBGA型半
導体装置の製造方法につき説明する。なお、図2の(A)、(B)および(C)は、第1
の実施の形態のBGA型半導体装置の製造方法を説明するための切り口断面を示す図であ
る。
まず、第1半導体素子16上の電極30、34および36に金属バンプ20および22を形成する。その後、第1半導体素子16と第2半導体素子18とを交差させかつ第1半導体素子16の電極30側の金属バンプ20と第2半導体素子18の電極32側とを対向させる(図2の(A))。その後、第1半導体素子16の金属バンプ20と第2半導体素子18の電極32とを熱圧着により、一回の工程で同時に接合する(図2の(B))。
このような第1および第2半導体素子16および18同士を熱圧着により接合する方法をここでは、チップ−チップ(Chip−Chip)ボンディングと称する。
この実施の形態では、第1金属バンプ20を6個および第2金属バンプ22を2個それぞれ形成してある。また、第1半導体素子16の電極20側の表面と、第2半導体素子18の電極32側の表面には、保護膜(PV膜)19が形成されている。
次に、第2金属バンプ22と基板10とを、例えば熱圧着法により電気的に接合する(図2の(C))。このような工程をフリップ−チップ(Flip−Chip)ボンディングと称する。
第1の実施の形態では、例えばミーリングにより基板10の上面の一部に積み重ね体100の一部を挿入するための溝17を形成する。ここでは、この溝17の深さを第2半導体素子18と溝17の底面とが接触しない程度とし、また、溝17の大きさ(溝17の長さおよび幅)を第2半導体素子18が収納できる程度の寸法に形成しておく。
次に、第2半導体素子18を溝17に収納して第1半導体素子16の第2金属バンプ22を基板10の配線14に搭載する。その後、熱圧着法により第2金属バンプ22と配線14とを電気的に接合する。なお、ここでは、第2金属バンプ22と配線14との接続を熱圧着法を用いて行ったが、スポットレーザ加熱或いはリフロー雰囲気加熱法などを用いて接合しても良い。
次に、積み重ね体100を封止樹脂(例えばエポキシ樹脂)を用いて封止する(図示せず)。その後、基板10の裏面の配線14に例えばバンプ搭載リフロー雰囲気加熱法を用いて金属バンプ(図示せず)を接合する。尚、予め、基板10の配線14の金属バンプ取付け部以外にソルダーレジスト24を形成しておく。
上述した工程を経て第1の実施の形態のBGA型半導体装置は完成する。
第1の実施の形態のBGA型半導体装置構造によれば、第1および第2半導体素子16および18からなる積み重ね体100を基板10の上側に搭載してあるので、スタック化が実現出来かつ従来に比べ、実装面積の割合を大きくすることができる。すなわち、従来は半導体素子が一個であったが、この実施の形態では、2つの半導体素子を重ね合わせているので、実装面積の割合は2倍となる。
また、基板10には、溝17を設けて積み重ね体100の一部を収納しているので、実装高さを低減することができる。
また、この装置の製造方法によれば、第1半導体素子16と第2半導体素子18とを第
1金属バンプ20を介して熱圧着により接合している。従って、複数の接続箇所を一回の
作業工程で電気的に接合させることができるため、作業効率が向上する。
[参考例のBGA型半導体装置の構造]
図3を参照して、参考例のBGA型半導体装置につき説明する。なお、図3は、参考例
のBGA型半導体装置の主要構造を説明するための切り口断面を示す図である。
この例では、積み重ね体100を基板10上面に直接搭載してある点、および導電性ワ
イヤ39を用いて、第1半導体素子16の電極34および36と基板10の配線14とを
接続している点が第1の実施の形態と異なっている。
また、この例では、基板10の上面には接続配線部分を除いて、ソルダーレジスト24を形成してある。このソルダーレジスト24上に、上述した積み重ね体100を絶縁層38を介して堅固に結合する。ここでは、絶縁層38として接着剤を用いる。
また、第1半導体素子16の電極34および36と基板10の配線14とを導電性ワイヤ39を用いてそれぞれ接続している。ここでは、導電性ワイヤとして、例えばボンディングワイヤを用いる。その他の構成は、第1の実施の形態の構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
次に、この例のBGA型半導体装置を実装する場合には、まず、積み重ね体100を接
続させる部分の配線14を除く基板10の上面にソルダーレジスト24を形成する。
次に、ソルダーレジスト24上に接着剤を塗布して、当該ソルダーレジスト24上に、上述した第1の実施の形態と同じ方法で形成した第1および第2半導体素子16および18からなる積み重ね体100を接着させる。このとき、第1半導体素子16を基板10側に、すなわち下側に配設する。
第1半導体素子16とソルダーレジスト24とを接着させた後、ボンディングワイヤ39により第1半導体素子16の電極34および36と基板10の配線14とを電気的に接続する。その後の工程は、第1の実施の形態の工程と同様にして行う。
この例では、第1および第2半導体素子16および18からなる積み重ね体100を基
板10の上側に直接接着してあるので、従来に比べ、実装面積の割合が大きくなると共に
、第1の実施の形態のように基板10に溝17を形成する必要がない分、基板10の厚さ
を薄くすることができるという利点がある。
[第2の実施の形態のBGA型半導体装置の構造]
次に、図4および図5を参照して、この発明の第2の実施の形態のBGA型半導体装置
の主要構造につき説明する。なお、図4は、第2の実施の形態のBGA型半導体装置の主
要構造を説明するための斜視図であり、図5は、図4のX−X線に沿って切断した位置で
の切り口断面を示す図である。なお、図4は、図を明瞭にするため装置の内部構成を透過
して示す。
この例では、2組の積み重ね体100および200を基板10の上面の垂直方向に重ね
た構造になっている。すなわち、ここでは、上述した積み重ね体100の他に、もう1組
の積み重ね体200を設けてある。この例では、一方の積み重ね体100を第1積み重ね
体と称し、他方の積み重ね体200を第2積み重ね体と称する。
第2積み重ね体200は、第3半導体素子40と第4半導体素子42とを直交させて結合させてある。両者40および42の結合には、第3金属バンプ44を用いている。そして、第1半導体素子16と第3半導体素子40とを互いに絶縁された状態で、ここでは接着剤46を用いて堅固に固定(接合)させてある。
また、第1半導体素子16と基板10の配線14とは、第1の実施の形態と同様に第2金属バンプ22を介して電気的に接続されている。
また、第3半導体素子40の電極48および50と基板10の配線14とは、ボンディングワイヤ39によって接続されている。その他の構成は、第1の実施の形態の構成と同様である。従って、ここでは詳細な説明を省略する。
[第2の実施の形態の製造方法]
次に、図6、図7および図8を参照して、この発明の第2の実施の形態のBGA型半導
体装置の製造方法につき説明する。図6の(A)および(B)、図7の(A)および(B
)並びに図8の(A)および(B)は、第2の実施の形態のBGA型半導体装置の製造方
法を説明するための工程図である。
第2の実施の形態では、予め、第1半導体素子16の電極30、34および36以外の
領域には、PV膜19を形成し、第2半導体素子18の電極32以外の領域にはPV膜1
9を形成しておく。また、第1半導体素子16の電極30、34および36上には、第1
金属バンプ20と第2金属バンプ22とを形成しておく。
次に、Chip−Chipボンディング工程により、上述した第1の実施の形態の製造
方法と同様にして、まず第1半導体素子16と第2半導体素子18とを第1金属バンプ2
0を介して、互いに交差して熱圧着により接合する。このようにして、第1半導体素子1
6と第2半導体素子18とからなる第1積み重ね体100が形成される(図6の(A))
次に、Flip−Chipボンディング工程により、第1半導体素子16の電極34お
よび36に設けられた第2金属バンプ22と基板10の配線14とを熱圧着法などにより
接続する(図6の(B))。なお、この例では、基板10に、第1積み重ね体100の一
部分を収納するための溝17を形成してある。ここまでの工程は第1の実施の形態と同様
である。
次に、予め、第3半導体素子40の電極47上に形成された第3金属バンプ44を用いて第3半導体素子40と第4半導体素子42とを熱圧着により接合する。このときも、予め電極43、47、48および50の接合面以外の第3および第4半導体素子40および42の一方の面にはPV膜19を形成しておく。
次に、第3半導体素子40と第4半導体素子42とを、互いに交差させて接合する。このようにして、第3半導体素子40と第4半導体素子42とからなる第2積み重ね体200が形成される(図7の(A))。
次に、第1半導体素子16の上面に第2積み重ね体200を互いに絶縁された状態で、
積み重ねかつ堅固に結合させる(図7の(B))。なお、この例では、第1半導体素子1
6の上面に接着剤46を塗布し、その後、第2積み重ね体200の第3半導体素子40と
第1半導体素子16とを互いに接合させる。
次に、ワイヤーボンディング工程により、ボンディングワイヤ39を用いて第3半導体素子40の電極48および50と基板10の配線14とを電気的に接続する(図8の(A))。なお、ここでは、予め、基板10の配線14の第2金属バンプ22およびボンディングワイヤー39の接続部分以外の領域にソルダーレジスト24を形成しておく。
以下の工程は周知の技術で行われる。すなわち、第1および第2積み重ね体100およ
び200を覆って基板10上に封止樹脂26を形成する(図8の(B))。その後、例え
ば熱圧着により基板10の裏面に形成されている配線14に金属バンプ(図5)を接合す
る。上述した一連の工程を経てこの例のBGA型半導体装置が完成する。
この例では、基板10の上側に、第1、第2、第3および第4半導体素子16、18、
40および42を積み重ねているので、第1の実施の形態および上述の第1の参考例に比
べ、実装面積の割合はさらに大きくなる。すなわち、ここでは、半導体素子を4個積み重
ねているので、従来に比べ、実装面積の割合は、約4倍となる。また、基板10には、溝
17を形成してあるので、実装高さが低減する。また、第1半導体素子16と基板10、
および第3半導体素子40と基板10とを電気的に隔離して個別に接続してある。すなわ
ち、個々の積み重ね体は、ソルダーレジスト24を挟んで、スルーホール部15の内側の
基板10上に第1半導体素子16が第2金属バンプ22を介して電気的に接続され、スル
ーホール部15の外側の基板10上に第3半導体素子40がボンディングワイヤ39を介
して電気的に接続されている。このため、第1および第2積み重ね体100および200
を個別に駆動させることができる。
なお、上述した例では、BGA型半導体装置を例にとって説明したが、何らこの半導体
装置に限定されるものではなく、プリント配線基板を用いたCOB(チップオンボード:
Chip on Board)実装とかベアチップの実装などにも適用できる。
半導体装置の構成例を説明するために供する断面図である。 (A)〜(C)は、半導体装置の製造方法を説明するために供する断面図である。 半導体装置の構成例を説明するために供する断面図である。 半導体装置の構成例を説明するために供する斜視図である。 半導体装置の構成例を説明するために供する断面図である。 (A)〜(B)は、半導体装置の製造方法を説明するために供する製造工程図である。 (A)〜(B)は、図6に続く、製造工程図である。 (A)〜(B)は、図7に続く、製造工程図である。
符号の説明
10:プリント配線基板
12:絶縁板
14:配線
15:スルーホール部
16:第1半導体素子
17:溝
18:第2半導体素子
20:第1金属バンプ
22:第2金属バンプ
24:ソルダーレジスト
26:封止樹脂
28:外部電極
30、32、34、36、43、47、48、50:電極
38:接着剤
39:ボンディングワイヤ
40:第3半導体素子
42:第4半導体素子
44:第3金属バンプ
46:接着剤
100:第1積み重ね体
200:第2積み重ね体

Claims (2)

  1. 上面、及び当該上面と対向する下面、前記上面に設けられている開口部、前記上面から前記下面に貫通しているスルーホール、前記上面のうち前記開口部が設けられていない領域に設けられている第1の配線、前記下面に設けられている第2の配線、前記スルーホールに設けられていて、前記第1及び第2の配線を接続している第3の配線、及び前記第2の配線に接続されている外部電極を有する基板を準備する工程と、
    第1の電極及び外周領域に設けられている第2の電極を有する第1の半導体素子の複数の第1の電極、及び第3の電極を有する第2の半導体素子の前記第3の電極を、第1導電性バンプを用いて、熱圧着により電気的に接合して積み重ね体を形成する工程と、
    前記積み重ね体の前記第2の半導体素子を前記基板の開口部に収納させ、かつ前記第1の半導体素子の複数の前記第2の電極及び前記基板の前記第1の配線を、第2導電性バンプを用いて、電気的に接続することにより、前記基板に前記積み重ね体を搭載する工程と
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 上面、及び当該上面と対向する下面、前記上面に設けられている開口部、前記上面から前記下面に貫通しているスルーホール、前記上面のうち前記開口部が設けられていない領域に設けられている第1の配線、前記下面に設けられている第2の配線、前記スルーホールに設けられていて、前記第1及び第2の配線を接続している第3の配線、及び前記第2の配線に接続されている外部電極を有する基板を準備する工程と、
    第1の電極及び外周領域に設けられている第2の電極を有する第1の半導体素子の複数の前記第1の電極、及び第3の電極を有する第2の半導体素子の前記第3の電極を、第1導電性バンプを用いて、熱圧着により電気的に接合して第1の積み重ね体を形成する工程と、
    前記第1の積み重ね体の前記第2の半導体素子を前記基板の開口部に収納させ、かつ前記第1の半導体素子の複数の前記第2の電極及び前記基板の前記第1の配線を、第2導電性バンプを用いて、電気的に接続することにより、前記基板に前記第1の積み重ね体を搭載する工程と、
    第3の半導体素子の複数の電極の一部と第4の半導体素子の電極同士を、第3導電性バンプを用いて、熱圧着により電気的に接合して第2の積み重ね体を形成する工程と、
    前記基板に搭載されている前記第1の積み重ね体の前記第1半導体素子及び前記第2の積み重ね体の第3の半導体素子を接合することにより、前記第2の積み重ね体を、前記基板に搭載されている前記第1の積み重ね体に搭載する工程と、
    前記第3の半導体素子の前記複数の電極のうち、前記第3導電性バンプが接続されていない電極及び前記基板の前記第1の配線を、ボンディングワイヤにより電気的に接続する
    工程と
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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